隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能燃?xì)?/a>表在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。在 2025 年，伴隨 “煤改氣” 工程的持續(xù)推進(jìn)和天然氣用量的逐年遞增，智能燃?xì)獗硎袌鲂枨笠琅f旺盛，尤其是 NB-IoT 智能燃?xì)獗?，憑借其技術(shù)成熟、抄表便捷、功耗低等優(yōu)勢，逐漸成為市場主流。在此背景下，設(shè)計一套穩(wěn)定可靠、低功耗的供電系統(tǒng)，對保障智能燃?xì)獗砣芷诘姆€(wěn)定運行，顯得尤為重要。本文將圍繞 NB-IoT 智能燃?xì)獗淼凸墓╇娤到y(tǒng)的設(shè)計與測試展開論述。
智能燃?xì)獗沓Ｒ姷墓╇姺绞剑赏庵霉╇娕c內(nèi)置供電兩部分組成?！?a href="http://www.74cssc.cn/report/16563779.html" target="_blank">2025-2030年全球及中國智能燃?xì)獗硇袠I(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》指出，外置供電部分由 4 節(jié) 1.5V 堿性電池串聯(lián)而成，內(nèi)置供電部分則采用一次性鋰亞電池，形成外保內(nèi)的供電模式。當(dāng)內(nèi)、外電同時供電時，4 節(jié)外置堿性電池為控制板各模塊供電;外電拔除后，一次性鋰亞電池接管供電任務(wù)。
為確保 NB 模組在外電掉電時仍能穩(wěn)定通信，提升通信成功率，系統(tǒng)引入超級脈沖復(fù)合電容 UPC1520 設(shè)計充放電電路?；芈穼?dǎo)通時，電池與超級電容共同提供負(fù)載電流;回路斷開時，電池為超級電容充電。超級電容器既能補(bǔ)償電池電流，減輕電池輸出大電流的壓力，降低電池端電壓下降幅度與內(nèi)部損耗，延長電池壽命，還能在外置電池取出后，依靠 UPC1520 儲存的電量，實現(xiàn)智能燃?xì)獗淼綦姾蟮年P(guān)閥和通信上報功能。
智能燃?xì)獗砉╇娤到y(tǒng)由內(nèi)置電源供電端口、外置電源供電端口、UPC 充放電電路、掉電檢測電路、采樣電路、電壓轉(zhuǎn)換電路和可控制開關(guān)電路構(gòu)成。
電源供電端口電路：外置電源供電端口和內(nèi)置電源供電端口分別設(shè)有單向二極管 VD1、VD3，本設(shè)計選用硅二極管，壓降約 0.7V。6V 外置電源上電后，VD1 導(dǎo)通，后端電壓約 5.3V;3.6V 內(nèi)置一次性鋰亞電池上電后，在外電充足時 VD3 不導(dǎo)通，系統(tǒng)優(yōu)先消耗外置電池電量。當(dāng) VD2 后端電壓低于 2.9V 時，VD3 導(dǎo)通，內(nèi)置一次性鋰亞電池開始供電，這一設(shè)計能在保障智能燃?xì)獗硎褂脡勖耐瑫r，降低對一次性鋰亞電池電量的要求。
掉電中斷檢測電路：外部電池被拔出后，會向系統(tǒng)反饋一個中斷電平，燃?xì)獗硐到y(tǒng)檢測到掉電事件后，執(zhí)行掉電關(guān)閥、上報操作。圖中 R1、R4 組成分壓限流電路，由于該電流回路在智能燃?xì)獗碚麄€生命周期中均處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此 R1、R4 阻值通常選取 MΩ 級，以在實現(xiàn)功能的前提下，控制電路電流，降低整體功耗，電路電流 I = 6V/(R1 + R4)Ω。
外置電池供電電路采樣電路：為降低系統(tǒng)功耗，采樣電路搭配開關(guān)控制電路。當(dāng)控制 VAD EN 端口為低電平時，PNP 三極管 VQ1、NPN 三極管 VQ2 均處于截止區(qū)，VAD 采樣點所在回路不通，無需采樣時可降低電流消耗;當(dāng)控制端口 VAD EN 為邏輯高電平時，VAD 采樣點所在回路導(dǎo)通，通過分壓電阻 R3、R7 采樣，采樣完成后按比例還原為真實值，完成整個控制過程。
電壓轉(zhuǎn)換電路：本方案采用帶使能的 LDO，將 5.3V 電壓轉(zhuǎn)換為 3.6V，為 NB 模塊供電。以移遠(yuǎn) BC95 系列模組為例，其供電電壓為 3.1 - 4.2V，典型值 3.6V，且電源需提供 0.5A 電流。本方案選用 HE6236M5R，靜態(tài)功耗 2μA，峰值電流 0.5A。該電路后端搭配 VQ3、VQ8 組成的開關(guān)控制電路，在不需要通信時，NB PWR EN 端口為低電平，VQ3、VQ8 不導(dǎo)通，降低系統(tǒng)功耗;需要通信時，NB PWR EN 端口為高電平，VQ3、VQ8 導(dǎo)通，為 NB 模組供電。
超級電容 UPC1520 充放電電路：由 VD1、VD4、VD2、R9 和其他供電電路組成 UPC 的充放電電路。當(dāng)內(nèi)外電正常且電量充足時，VD1 導(dǎo)通，VD4、VD2 不導(dǎo)通，供電系統(tǒng)通過電壓轉(zhuǎn)換電路將電壓轉(zhuǎn)換為 3.6V 后，經(jīng) R9 為 UPC1520 充電，充滿電的 UPC 兩端電壓為 3.6V。當(dāng)外置一次性鋰亞電池電量低，外電掉電后，VD2 導(dǎo)通，VD1、VD4 不導(dǎo)通，UPC1520 放電，為整個系統(tǒng)供電，滿足 NB 模組掉電上報、內(nèi)置電機(jī)閥掉電關(guān)閥的需求。當(dāng) UPC1520 放電電壓低于 2.0V 時，可能導(dǎo)致性能衰減或內(nèi)阻升高，為降低這一風(fēng)險，設(shè)計增加 VD4 回路。若外電一直不上電，UPC1520 兩端電壓與內(nèi)置鋰亞電池兩端電壓的差值大于 0.7V 后，VD3、VD4 導(dǎo)通，內(nèi)置鋰亞電池通過 VD4 為 UPC1520 供電，維持其兩端電壓，降低 UPC 出現(xiàn)饋電現(xiàn)象導(dǎo)致性能衰減或內(nèi)阻升高的風(fēng)險。
本方案采用 Keysight 的直流電源分析儀 N6705，搭配 Keysight 14585A 進(jìn)行功耗測試。Keysight 14585A 控制和分析軟件可控制 N6705 的高級功能，并分析分析儀數(shù)據(jù)，其控制操作與 PC 類似，便于測試供電系統(tǒng)的電流變化和整體功耗情況。測試時，系統(tǒng)外電經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為 3.6V 后為 UPC1520 充電，這部分電能存儲在超級脈沖復(fù)合電容中，未在控制板上直接消耗，因此在評估控制器整體功耗時，需單獨評估 UPC 電路功耗。此外，此測試針對整個供電系統(tǒng)功耗，不包含通信模塊、計量模塊、紅外模塊等。
不帶 UPC 電路功耗測試：采用差值法測試功耗，以某一條件下測試的電流值為基準(zhǔn)，增加或刪減某一電流回路后再次測量電流值，前后兩次差值的絕對值即為該增加或刪減電路當(dāng)前狀態(tài)下的消耗電流值。對于供電系統(tǒng)，需測試評估控制器在低功耗模式和非低功耗模式下的功耗。
以低功耗條件下測試的電流值為基準(zhǔn)，斷開 R11，將 R5 與 VAD EN 相連一端通過調(diào)試線與 GND 相接，將 R70 與 NB PWR EN 相連一端也通過調(diào)試線與 GND 相接，N6705 通道正負(fù)極與 J1 相連，提供 6V 恒壓源，測量此時的電流值 aμA。
采用差值法測量電路④的功耗。在前一步基礎(chǔ)上，將 R5 與 VAD EN 相連一端通過調(diào)試線與 J2 的正極相接，N6705 通道正負(fù)極與 J1 相連，提供 6V 恒壓源，測量得此時的電流值 bμA，由此可計算出電路④工作時的功耗為 (b - a)μA。
采用差值法測量電路⑦的功耗。在第一步基礎(chǔ)上，將 R70 與 NB PWR EN 相連一端也通過調(diào)試線與 J2 的正極相接，N6705 通道正負(fù)極與 J1 相連，提供 6V 恒壓源，測量得此時的電流值 cμA，由此可計算出電路④工作時的功耗為 (c - a)μA。
UPC1520 電路測試
UPC1520 充電電路功耗測試：系統(tǒng)外電為 UPC1520 充電，這部分電能存儲在 UPC1520 中，未在控制板上直接消耗，因此需在 UPC1520 充滿電后評估其充電電路工作的功耗。在不帶 UPC1520 電路功耗測試步驟 1 的基礎(chǔ)上，焊接新的 UPC1520，將 N6705 通道正負(fù)極與 J1 相連，提供 6V 恒壓源，通過 PC 端軟件 14585A 檢測 UPC1520 從充電到充滿電過程中供電系統(tǒng)的電流大小，測出 UPC1520 充滿電后供電系統(tǒng)消耗的電流，測量此時的電流值 dμA，則 UPC1520 電路充滿電后消耗的電流值為 (d - a)μA。
UPC1520 放電電路功能測試：主要評估 UPC1520 充滿電的容量是否滿足掉電后的關(guān)閥和上報需求。利用 N6705 的電流負(fù)載功能檢測智能燃?xì)獗砩芷谥?UPC1520 的實際有效使用容量，評估是否滿足使用要求。本方案選用的 UPC1520 的充放電性能顯示，利用電壓轉(zhuǎn)換電路提供 3.6V 電壓給 UPC1520 充電，充滿電的容量≤140As，為保證 UPC1520 正常工作，測試的有效容量截止電壓為 2.5V。為測試評估有效容量是否滿足設(shè)計需求，需測試智能燃?xì)獗韮?nèi)置電機(jī)閥的關(guān)閥電流和表具自動上報過程的電流消耗，以此評估 UPC1520 的最大放電電流是否滿足要求，并作為負(fù)載電流的設(shè)置依據(jù)。從隨機(jī)選取的量產(chǎn)智能燃?xì)獗順颖緮?shù)據(jù)來看，掉電后一次關(guān)閥上報操作需消耗電量大于 0.3mAh。將一只新的 UPC1520 的正負(fù)電極與電源分析儀 N6705 通道正負(fù)極相連，以 25mA 恒流源，限壓 3.6V 給 UPC1520 充滿電，之后將 N6705 通道設(shè)置為 500mA 恒流負(fù)載模式，讓 UPC1520 放電至 2.5V 截止電壓，測得按最大連續(xù)放電電流的有效功耗為 14.43mAh，放電時長 103.9s。數(shù)據(jù)表明，14.43mAh 遠(yuǎn)大于一次關(guān)閥上報操作需消耗電量 0.3mAh，且實際使用中，智能燃?xì)獗黻P(guān)閥、上報操作消耗電量小于按持續(xù)最大放電 500mA 放電所消耗的電量，即 UPC1520 存儲的電量有足夠余量滿足掉電后的關(guān)閥和自動上報，即便信號不良也可多次上報。
綜上所述，通過對智能燃?xì)獗砉╇娤到y(tǒng)電路原理的深入分析、供電系統(tǒng)功耗的精確測試，以及超級脈沖復(fù)合電容 UPC1520 放電容量的全面評估，所設(shè)計的供電系統(tǒng)能很好地滿足 NB-IoT 智能燃?xì)獗淼綦姾蟮年P(guān)閥和自動上報操作。同時，低功耗設(shè)計也保障了智能燃?xì)獗淼氖褂脡勖?，契? 2025 年智能燃?xì)獗硇袠I(yè)對穩(wěn)定、低功耗供電系統(tǒng)的需求，有望推動智能燃?xì)獗硇袠I(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
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